城轨列车无线传感器监测网络节能设计*

王 钰 贾苏元 赵 喆 王宇瑶 张 璐

(大连交通大学电气信息学院 大连 116028)



城轨列车无线传感器监测网络节能设计*

王 钰 贾苏元 赵 喆 王宇瑶 张 璐

(大连交通大学电气信息学院 大连 116028)

近几十年城市人群的主要出行方式逐渐转变为轨道交通,而确保列车处于高效而安全工作状态则是重中之重。延长列车无线传感器监测网络生命周期并降低其能耗可以更好地保证列车安全问题。论文主要从单一节点、MAC协议、路由协议三个层次上对整个监测网络进行节能设计,达到合理分配能耗进而最大程度延长监测网络生命周期的目的。

无线监测网络; 节点; MAC协议; 路由协议

Class Number TN925

1 引言

城轨列车无线监测网络结构复杂,监测节点数量繁多,在如此庞大的网络中频繁对节点能量进行逐个补充是难以实现的,并且监测网络节点不合理的工作状态模式加大了能耗。因此对监测网络各部分进行节能优化设计是目前最为可行的解决方案[1]。

2 能耗分析

在通常状况下,传感器节点的耗能主要集中在无线通信方面,数据传输的能耗大约占总体能耗的八成以上,这期间除去数据接收发送状态下耗能外,空闲等待也白白耗费了大量能量,此外硬件设备的运行也会产生额外的能耗,如图1所示。

图1 监测节点各工作状态下能耗情况

基于城轨列车无线传感器网络的这种长距离的线型网络,其节点的下一条路径选择单一使能耗不均问题凸显,这会导致某些节点过早凋零死亡,这也会影响列车监测网络整体正常运行周期[2]。

3 传感器监测网络节能策略

3.1 单一节点方面节能设计

针对单一传感器监测节点进行节能设计虽然降低能耗量有限,但从整个网络来看节点总数多累积节约的能耗量大。针对硬件设计方面尽可能地选择低功耗的芯片。针对软件节能的策略,通过编写合理的软件工作流程,来实现对节点工作状态的动态管理。具体软件流程设计想法:网络的开始由基站(汇聚节点)发起,网内所有节点开始处于侦听状态,等待基站的导频信息,当收到基站导频信息时,节点打开计时器,当传感器监测节点计时器计时到达本机活动时间则唤醒节点,节点主控制模块和无线收发模块转入正常工作状态,节点通过无线收发模块将采集到的传感器状态信息发送到基站;如果节点未到本机活动时间,开启无线收发模块空闲/关机模式,同时开启设置主控制模块睡眠/关机模式。基站将收到的信息处理融合后发送给网关节点或车载PC,如果监测节点活动时间结束,节点各模块为降低能耗将进入休眠状态,等待下一个活动周期的到来[3]。具体到单一节点接收到导频命令帧时节点进入侦听状态计时器开始清零,如果接收到数据包,则继续接受下一个节点数据,否则重新接收该节点数据。当所有节点数据包接收完毕系统即进入下一个周期。

3.2 改进PMAC协议节能策略

本文设计一种基于PMAC协议能依据流量变化来调整工作状态周期的MAC协议[4]。正常情况下列车监测网络是定时进行数据处理,在不工作的状态下节点会自动进入休眠状态。合理调整节点的工作状态可以有效地避免无效能源的消耗。前导序列可以良好控制休眠状态,但过长的前导序列会使传输无用数据量增加。因此协议的休眠/侦听周期的设计需要根据流量进行制定[5]。序列信息的侦听模式借用PMAC协议前导信息的思想,以二进制来表示,其中休眠状态用0代表,运行状态用1代表。例如Nx是节点x的二进制前导序列,前导信息与节点x运行时隙数量是密切相关的。假设节点x的一个运行周期包含T个时隙。例如01010,这表明节点在1、3、5时刻处于休眠状态,2、4时刻处于运行状态。因此当持续一段时间没有数据传输的情况下,前导信息可以设计成:1,01,001,0001,041,051,…,0n-11,…,0δ1α。最长休眠周期临界值δ,最短工作侦听周期临界值α,上式表示节点达到最长休眠周期后进入侦听状态,以保证监测网络的时效可靠性,如此基于指数增长的休眠周期能够大量的减少空闲侦听,这种slow-start算法的休眠模式减少了无效能耗。在此还需要设定一个最长休眠周期,当时隙休眠时隙达到临界值,节点会再次运行,此设计主要目的是保证整体监测网络的时效性并达到节能的效果。当节点发送接收大量数据时,设定最长工作周期β,最短休眠周期γ。当节点持续工作时间达到设最长工作周期时,节点自动转入最短的休眠周期,如此可以保证节点不会因为需大量传输数据而长期处于恶劣能源消耗,避免部分节点提前衰竭[6]。前导信息设计如下:1,01,011,0111,014,015,…,01-1,…,0γ1β。

综上所述,在无数据传输下将节点设置为休眠状态或在持续传输数据时将节点设置成间接休眠状态都能很好地达到休眠状态,从而提升监测网络的生命周期。

3.3 基于链状分簇路由算法优化节能策略

本文在LEACH和PEGASIS算法的基础上设计了一种适合城轨领域的路由算法,达到减少和平均能耗的目的。

3.3.1 网络的模型和算法的假设

因列车监测网络系统形状为带状,对网络模型作出设计如下:网络是由M个传感器节点进行随机分布,设计一个长大于宽的空间矩阵,节点随机的分布在其间,网络的数据传输呈周期变化。设Si表示第i个节点S={s1,s2,…,sM},M=|S|,S为节点集合。该网络具有的特征为: 1) 汇聚节点的布置不在整个网络中,汇聚节点与随机分布的监测节点布置完毕后就不再变动; 2) 根据节点间的距离来适当调节监测节点的无限发射功率,这样节点也可根据已知的发射功率大小来确定节点间的距离; 3) 每个节点的ID都有唯一的全网标识,所有监测节点都具有相同的初始能量及数据融合能力并能对各自的剩余能量进行感知; 4) 传输的数据量和传输节点间距离决定了传输能耗[7]。

3.3.2 算法具体描述

本算法运用“轮”的方式,通信阶段分为簇建立阶段和稳定数据传输阶段。LP算法采用簇固定的分簇方式,在初始阶段簇形成后,簇内成员不再改变。距离汇聚节点较远的簇分配较少的成员节点而距离较近的簇分配较多的成员节点。因为簇首节点比普通节点能耗高,因此由节点剩余的能量决定该节点能否成为簇首节点。我们会在每个簇内预先设定一个阈值,如候选节点剩余能量高于阈值则这一轮担任簇首,否则重新生成随机数来选举簇首节点[8]。当簇形成后我们选择距离汇聚节点最近的节点作为链首节点,然后依次加入距自己最近的节点直至形成完整的链式拓扑结构。因簇的拓扑结构为链状,所以在稳定传输阶段时数据的传输都是从链尾节点向下一个距自己最近的节点传输直到传到链首节点,然后所有的链首节点再将获得的数据进行处理,按此方法形成新的簇,最后数据汇总到汇聚节点[9]。基于链式的分簇路由算法流程如图2所示。

图2 链式分簇路由协议算法流程图

3.3.3 最优化簇头数的确定

优化簇头数量可以达到保证监测网络稳定和节能的目的。我们将这个参数用字母p表示节点数量,假设部署M个传感器节点在网络中,网络区间长宽均为H的,然后分割成N个簇,每个簇只有一个簇首节点。下文将通过对能量进行分析,计算出网络的最优簇头数[10]。参数变量定义为:

dT为簇成员节点到簇首节点间距;dS为汇聚节点到簇首节点的间距;Eelse为发射和接收单位信息消耗的能量;EDA为单位数据信息融合的能耗;εfs为簇首节点与簇成员节点通信时单位能耗参数;εmp为汇聚节点与簇首节点通信时单位能耗参数。

将数据接收、融合和发送到汇聚节点,构成了簇首节点在一轮通信中的总能耗ECH:

(1)

成员节点到簇首节点能耗:

(2)

簇内单位周期所需能耗为

(3)

一轮网络中通信中N个簇总能耗为

EALL=NEcluster

(4)

(5)

网络总面积为H2因而得出每个簇所占的面积S=H2/N,假设每个簇的簇首节点都分布在簇中央,因此就能得到簇内任一节点到簇首节点的距离:

(6)

由于E(ds4)只与簇首节点到汇聚节点的距离有关,与簇首的个数N没有直接关系,设LS为汇聚节点到簇首节点的距离式(6)同时带入式(5)得:

(7)

式(7)中通过EALL对N求导,并使导数为零,就能得出最优簇首个数Nopt值为

(8)

(9)

从式(9)中可以得出,汇聚节点到网络区域中心距离LS及网络最优簇首个数只由网络区域的边长H[11]决定。

3.3.4 算法性能分析

将LEACH算法中的一阶信号模型引入到LP算法中。该模型共有两部分进行能量消耗: 1) 传感器节点处理器模块中如模式化、数字编码等的内部能耗:Eelse=50nj/b; 2) 传感器节点无线通信模块中接收和传递数据时的能耗,模型中信号放大器消耗能量:εmp=100pj/bit/m2。节点传输mbit数据量到l处的能耗:

ETX(m,l) =ETX-elec(m)+ETX-amp(m,l)

(10)

传感器节点接收l比特数据的能耗为

ERX(m,l)=ERX-else(m)=mEelse

(11)

在本算法中,由于在发送mbit数据之前要进行数据的处理,所以消耗的能量为

EDA(m)=m*Edata

(12)

得出在稳定传输的阶段,每个节点在传输mbit数据时消耗的总的能量为

ETX(m,l) =ETX-elec(m)+ETX-amp(m,l)+EDA(m)

(13)

3.3.5 城轨LP算法路由性能分析

假设共有N个节点,形成M(0

图3 链上节点传送数据

图4 成簇后节点传输分组

4 仿真实验分析

在同样的仿真场景中,对LEACH、PEGASIS和LP算法从网络生存期、网络的总能耗、网络的总延时和汇聚节点接收到的总数据量这四个方面进行了模拟仿真。

图5所示中LP算法在节能方面虽然没有PEGASIS算法的优势大,但是与LEACH算法相比具有明显的优势。当存活的节点数一样的时候,LP运行的轮数以远远的高于LEACH协议。

图5 剩余的节点数与轮数的关系

图6所示是不同的算法在网络中的能耗随着运行轮数的变化曲线。在这三种算法中,PEGASIS协议的网络的总能耗一直是最低的,所以具有很大的优势。

图6 网络能耗与轮数的关系

图7所示是三种路由协议的网络总时延与运行轮数的关系曲线。由曲线得知PEGASIS协议和LEACH协议网络总时延分别为LP协议网络总时延的3.4倍和4倍。

图7 网络总时延与轮数的关系

如图8所示为三种算法随着轮数的增加汇聚节点收到的数据总量,LP算法为14600bytes、PEGASIS算法为11900bytes、LEACH算法为5900Bytes。由此得出LP算法分簇策略更为均衡,能更好地延长整个网络的生命周期。

从得出的仿真图进行分析比较可以得出LP算法综合以上四个方面具有较大的优势,更适合城轨这种远距离通信的环境[15]。

图8 汇聚节点收到数据量与轮数的关系

5 结语

文中针对无线传感器中节点能耗分布负载不均衡等问题,并结合城轨无线网络的分布特点,在单一节点、PMAC协议和路由算法三方面进行优化,并通过仿真实验验证了有效均衡网络能耗,延长网络生命周期的实验结果,由此可得出确实能使城轨无线网络得到优化的效果。

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Design of Energy-saving Strategies for Urban Railway Wireless Sensor Monitoring Networks

WANG Yu JIA Suyuan ZHAO Zhe WANG Yuyao ZHANG Lu

(Institute of Electrical Information, Dalian Jiaotong Uniwersity, Dalian 116028)

In recent years rail transport has become the main way to travel, so it is extreme important that the safety, efficient and reliable operation of train which for the whole public traffic network and the development of the city should be guaranteed. Reducing energy consumption of sensor monitoring network and extending the train monitoring wireless sensor network life cycle is the core to guarantee the normal work of the train monitoring network. This paper is mainly from a single node, MAC protocol, routing protocol on the three aspects of the entire monitoring network for energy saving design to achieve purpose of a reasonable distribution of energy consumption and maximum extent of the monitoring network to extend the life cycle.

wireless monitoring network, node, MAC protocol, routing protocol

2016年7月10日,

2016年8月29日

王钰,男,硕士研究生,研究方向:智能交通控制与安全技术。

TN925

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.01.041